Глава 10 и Контрольные вопросы редактированный (Вырезки в виде лекций), страница 3

При сварке таких сталей решают главную задачу – сохранить коррозионную стойкость в зоне шва и зоне термического влияния, а также предотвратить образование горячих трещин. Первое требует однородности швов и снижения до минимума углерода, серы, фосфора, оксидов и структуры швов, а второе – сохранение ферритной фазы - -Fe. Противоречивость этих требований решают на компромиссной основе, а также дифференциацией сталей по температуре эксплуатации и требуемому уровню коррозионной стойкости.

Применяют пассивные флюсы на CaO-Al₂O₃-CaF₂ основе, с добавкой SiO₂10% для улучшения отделяемости шлаковой корки. Однако доля SiO₂ определяется тем, что весь SiO₂ должен быть связан в комплексы основными окислами. Подавлению кремне восстановительного процесса также способствует ввод во флюс окислов железа (SPS/375, ОФ-6).

Кроме CaO и CaF₂ флюсы этого назначения содержат MgO, ZrO₂, TiO₂ т.е. оксиды с повышенной термостойкостью, не выделяющие кислород по механизму диссоциации.

Для сохранения в шве хрома (Cr) – главного элемента обеспечивающего коррозионную стойкость, в состав флюсов (например ФЦ-19, ФЦ-17, F-624) вводят его окисл Cr₂O₃, что по закону распределения препятствует окислению хрома в ванне.

Для подавления вредного влияния серы и фосфора во флюсах (например F-624) должно содержаться много МnO (8-11%) очищенного от фосфора и серы. К ним относятся плавленые флюсы ОФ-6М, ОФ-6, F-624, F-402, АН-26С, АН-18, ФЦ-17, ФЦ-19.

Возможно также применение керамических флюсов, изготовленных из порошков СаО, CaF₂, MgO, раскислителей и легирующих, скрепленных жидким стеклом. К ним относятся керамические флюсы SPS/375, АНК-45, ФЦК и ФЦК-С.

Флюсы для сварки никеля и его сплавов.

Основные проблемы сварки этих сплавов состоят в большой чувствительности к вредным примесям: серы и фосфора, растворенным газам, вызывающих поры и горячие трещины. Поэтому активные плавленные флюсы непригодны для сварки никеля НП-1, НП-2 и его сплавов типа ХН77ТЮ. Положительные результаты получены при дуговой сварке под фторидными и высокоосновным флюсом АНФ-5 на базе CaF₂-NaF, имеющего температуру плавления 1223 – 1423К и оказывающего модифицирующее действие натрием. Эффективен также флюс ИМЕТФ на базе CaF₂-BaCl₂ с добавками NaF и SrF₂ (Sr - стронций). Флюс АНФ-22 позволяет легировать шов бором до 0,6%, что предотвращает горячие трещины.

Возможно применение керамических флюсов ФЦК, а также ЖН-1, который легирует шов Mn, Ti и Al и обеспечивает его раскисление, рафинирование и модифицирование.

Флюсы для сварки меди и медных сплавов.

Главное достоинство меди- сочетание высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости. Сохранение чистоты меди в швах – главный фактор обеспечения указанного комплекса свойств.

При окислении меди образуется Cu₂O, нерастворимый в твердой меди, но растворимый в жидкой меди с образованием эвтектики при 0,39%О₂. При кристаллизации Cu₂O вызывает образование пор по реакциям:

Cu₂O+H₂=2Cu+H₂O (10.11)

Cu₂O+CO+2Cu+CO₂ (10.12)

Образующиеся пары воды и углекислый газ, не имея возможности выделяться из металла диффузионным путем, могут приводить к образованию пор и трещин («водородная болезнь» меди).

Вследствие малой химической активности меди и ряда ее сплавов при сварке применимы стандартные плавленые флюсы ОСЦ-45, АН-348, АН-60, ФЦ-10, АН-26, АН-22, АН-20, разработанные для сварки сталей. При сварке меди под указанными выше активными плавлеными флюсами возможно протекание реакций типа (FeO)+2Cu=[Cu₂O]+Fe. Эти реакции вызывают другие оксиды (MnO), (SiO₂), (Al₂O₃). Поэтому для сохранения в шве чистоты меди применяют низкокремистые флюсы АН-20, а также специальные флюсы для меди АНМ-1, АНМ-2 и электродную проволоку из бескислородной меди М1 или МБ. Для сварки меди большой толщины применяется флюс АН-26.

При допустимости снижения электропроводности и теплопроводности меди применяют бронзовые проволоки БрХ07 и др. Они обеспечивают равнопрочность швов с основным металлом.

Для сварки латуней (Cu+Zn) применяют флюс АН-20, АНФ-5 и МАТИ-53, ФУ-10.

Для сварки меди применяют также специальные керамические флюсы ЖМ-1 и К-13МВТУ. Шлаковая система флюса ЖМ-1 включает: CaO-SiO₂-Al₂O₃-CaF₂ с добавкой раскислителей: углерода и буры (Na₂B₄O₃ · MgO).

Роль углерода состоит в превращении окислителя в газовой среде – СО₂ в восстановительный газ СО по реакции: С+СО₂=2СО.

Флюсы для сварки титана и сплавов на его основе.

Титан обладает весьма высокой химической активностью и при нагревании активно взаимодействует с О₂, N₂, Н₂, С.

Основная проблема свариваемости Ti и его сплавов связана с получением пластичных сварных соединений. Потеря пластичности – результат отрицательного влияния растворенных газов, примесей и структурных превращений, поскольку титан обладает полиморфизмом. Окисление титана начинается при нагреве выше 500°С. До этой температуры он защищен оксидно-нитридной пленкой, которая имеет аналогичную структуру и прочно удерживается на поверхности. Совместное действие кислорода и азота на свойства определяют эквивалентом кислорода [O]э,%

[O]э=[O]+2[N]+2/3[C] (10.13)

НВ=40+310 [O]э; (10.14)

Главное требование к флюсам – надежная защита от воздуха и загрязнений компонентами шлака. Эти требования удовлетворяются бескислородными флюсами на основе фторидов и хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов: АНТ-1, АНТ-3, а также АНТ-5 и АНТ-7 (последний для сварки толщин до 40 мм при большой силе тока). Составы этих флюсов приведены в табл. 10.1.

Однако ударная вязкость швов при сварке под флюсом не достигает значений, получаемых при сварке в аргоне неплавящимся электродом. Более эффективна комбинированная флюсогазовая защита.

Флюсы для сварки алюминия и его сплавов.

Плавленные флюсы для сварки алюминия состоят из хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов (табл. 10.1).

Вследствие высокой электропроводности расплавленный флюс АН-А1 и другие шунтируют дугу, что препятствует ее устойчивому горению. Сварка ведется по слою флюса полуоткрытой дугой.

Для сварки самых распространенных сплавов Al-Mg флюсы АН-А1 и УФОК-А1 непригодны, так как натрий из флюса частично восстанавливается магнием и поступает в шов, вызывая поры, горячие трещины и снижая пластичность металла. Для этих сплавов применяют флюсы МАТИ-10 и 48-АФ-1 на основе BaCl₂-KCl.

Керамические флюсы для сварки алюминия (например ЖА-64) позволяют выполнять сварку закрытой дугой. Они содержат повышенное количество криолита, снижающего электропроводность расплава.

10.1.8 Особенности металлургических процессов при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.

Электрошлаковая сварка, разработанная в ИЭС им. Патона, первоначально использовалась только для сварки стали большой толщины (станины прессов, толстостенные сосуды), но затем она была трансформирована в самостоятельный процесс – электрошлаковый переплав металлов с целью повышения их качества (удаление серы, растворённых газов, легирование и т.д.).

Общая схема процесса электрошлаковой сварки представлена на рис. 10.9.

При электрошлаковой сварке защитная газовая атмосфера отсутствует и все металлургические процессы идут на границе металл – шлак, причём влияние электрохимических процессов в этом случае сильнее, чем при автоматической сварке под флюсом. При дуговой сварке через шлак проходит, шунтируя дуговой разряд, лишь 12% тока, а при электрошлаковом процессе весь ток идёт через шлак.

Процессы взаимодействия металла со шлаком в основном не отличаются от рассмотренных ранее, но в связи с пониженной температурой они идут с меньшими скоростями. При электрошлаковом процессе нужно организовать смену флюса, так как в отличие от сварки под флюсом состав шлака непрерывно меняется в результате увеличения содержания в нём оксида железа (FeO). Кроме того, возможно окисление FeO на границе шлак – воздух, также повышающее окислительную способность шлака.

Если шлак не менять, то шов будет иметь различный состав по длине, так как изменяется состав шлака. На рис. 10.10 приведены данные о переходе марганца (Δ[Mn]) и (Δ[Si]) при переплаве проволок Св-15Г и Св-10Г2 под флюсом АН-8 в медный охлаждаемый водой кокиль. Из рисунка видно, что происходит изменение состава слитка по его высоте.

Обычно раскислители вводят через электродные проволоки, используя их широкий ассортимент. Углерод выгорает при электрошлаковой сварке слабее, чем в дуговом процессе (ниже температура).

Для сварки легированных сталей, содержащих легкоокисляющиеся компоненты, используют флюсы с минимальной окислительной способностью. Такие флюсы строятся на основе флюорита CaF₂, к которому добавляют для понижения электропроводности Al₂O₃ и CaO. Эти флюсы также активно понижают содержание серы. Длительное пребывание жидкого металла в контакте со шлаком дает возможность подавать в шлаковую ванну легирующие элементы, входящие в электродные проволоки или пластины различного состава для их переплава. Таким образом проводят легирование ванны и улучшение свойств полученного металлического слитка как результат снижения содержания серы, фосфора, неметаллических включений (FeO и др.).

10.2. Сварка в защитных газах и смесях.

Идея газовой защиты зоны сварки была предложена еще Н. Н. Бенардосом в одном из его изобретений, но реально воплотилась в технологический процесс в конце 40-х годов ХХ в., когда появилась необходимость сварки активных металлов, таких, как алюминий и его сплавы, а позднее титан и его сплавы.

Для защиты зоны сварки стали применяться инертные газы - аргон и гелий. Был разработан процесс аргонно-дуговой сварки и соответствующее сварочное оборудование для автоматической и механизированной сварки плавящимся и неплавящимся электродами. При сварке чистой меди оказалось возможным применять азот высокой чистоты, так как медь не дает с ним соединений, устойчивых в условиях дуговой сварки.

Однако для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применять дорогие и дефицитные инертные газы было экономически нецелесообразно, поэтому был разработан метод сварки в углекислом газе, который может быть легко получен в любом количестве и в баллонах доставлен к месту сварки.

В настоящее время этот процесс сварки получил очень широкое применение при изготовлении конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей при высоком качестве сварных соединений. В последние годы разработаны способы газовой защиты с применением различных газовых смесей (Ar + He, Ar + O₂, Ar + CO₂, CO₂ + O₂ и др.), что расширяет сварочно-технологические и металлургические возможности данного метода сварки. Наиболее широко применяют струйную защиту. Более качественная защита – в камерах с контролируемой атмосферой.

К газовой защите можно также отнести вакуум, который используется при дуговой и электронно-лучевой сварке высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден и т. д.).

10.2.1. Формирование газовой струйной защиты.

Сварку в струе защитного газа осуществляют с помощью специальной сварочной горелки, подающей в зону сварки защитный газ и электродную проволоку. Схема процесса представлена на рис. 10.12. С помощью сопла создается поток защитного газа, омывающий зону дугового разряда и оттесняющий из зоны сварки воздушную атмосферу (N₂, O₂). Качество сварных швов зависит не только от чистоты, но и от расхода защитного газа и характера истечения из сопла под небольшим давлением, обеспечивающим спокойный (ламинарный) характер истечения, без завихрений.

Принято различать автоматическую или механизированную сварку в защитном газе. В последнем случае сварочный инструмент, т.е. горелка, перемещается рукой сварщика, а электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельно установленного механизма в горелку. Механизированная сварка в защитных газах имеет наиболее широкое применение при проведении сварочных работ в судостроении, строительстве, когда невозможно использовать сварочные автоматы.

10.2.2. Металлургические процессы при сварке сталей в струе СО₂.

Углекислый газ (СО₂) обладает молекулярной массой 44 и плотностью 1,96 кг/м³, поэтому он хорошо оттесняет воздух, плотность которого ниже (1,29 кг/м³). Поставляется углекислый газ в баллонах или контейнерах, где он находится в жидком состоянии, так как переход из жидкого в газообразное состояние происходит при следующих критических параметрах газа: Ткр=304 К, Ркр=7,887 MПa.

Для сварки применяют газ с пониженным содержанием вредных примесей - кислорода, азота, оксида углерода, влаги в соответствии с ГОСТ 8050-74, т.е. отличающийся от пищевого СО₂ .

Углекислый газ в области высоких температур диссоциирует на СО и О₂. На этот процесс расходуется часть тепловой энергии и дугового разряда

2СО₂  2СО + O₂ – Q (10.15)

Зависимость константы равновесия процесса диссоциации от температуры приведена на рис. 9.25.

В условиях высоких и быстроменяющихся температур при сварке состав продуктов диссоциации СО₂ в разных точках дугового разряда будет изменяться.

На рис. 10.13 приведена схематическая диаграмма распределения температур и концентрации газов вдоль оси сварного шва при движении сварочной головки с постоянной скоростью Vсв.